專利名稱：機床的機械位移修正系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于修正機床的機械位移(熱位移、自重位移、水平位移)的機械位移修正系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
一般而言，在進行機床的定位控制的伺服控制裝置中采用圖7所示那樣的全閉環(huán)的反饋控制系統(tǒng)。省略了具體的說明，在圖7所示的伺服控制裝置中，基于來自設(shè)置于移動體1的位置檢測器2的位置反饋信息(即機械端的位置信息)和由設(shè)置于伺服電機3的脈沖編碼器4經(jīng)由微分運算部5而反饋的速度反饋信息來控制伺服電機3的旋轉(zhuǎn)，由此，以使移動體1的位置追隨位置命令的方式進行定位控制。另外，在圖7中，Kp是位置環(huán)增益，Kv是速度環(huán)比例增益，Kvi是速度環(huán)積分增益，s是拉普拉斯算子。如上述那樣，在全閉環(huán)的反饋控制系統(tǒng)中，將機械端的位置信息用作位置反饋信息，但是，當(dāng)由于機床內(nèi)所具有的主軸及伺服電機3等熱源及外部氣體的溫度變化而在機床的各結(jié)構(gòu)物上產(chǎn)生機械位移時，機床的各移動軸的定位精度及三維空間中的工具的定位精度等靜態(tài)精度惡化。機械位移不僅僅因熱位移而產(chǎn)生，也因由自重引起的撓曲及由水平位移引起的結(jié)構(gòu)物的撓曲等而產(chǎn)生。另外，作為機床的控制系統(tǒng)，當(dāng)采用如圖8所示的半閉環(huán)的反饋控制系統(tǒng)時，將伺服電機3的位置信息(通過脈沖編碼器4檢測出的伺服電機3的旋轉(zhuǎn)角度)用作位置反饋信息，因此，靜態(tài)精度趨于進一步惡化。另外，即使在機械人等的控制中，此種機械位移也同
樣會產(chǎn)生。因這些機械位移而導(dǎo)致的靜態(tài)精度的惡化、特別是因熱量等引起的機械位移而導(dǎo)致的靜態(tài)精度惡化是加工誤差増大的較大的主要原因之一，即使現(xiàn)在也仍然是個較大的問題。作為這些靜態(tài)精度惡化的對策，以往，已知有將如下的熱位移修正系統(tǒng)設(shè)置于機床的控制系統(tǒng)將溫度傳感器嵌入機械，根據(jù)該溫度傳感器的溫度數(shù)據(jù)利用簡易的算數(shù)式來推測機械的熱位移量，并通過使機械坐標等移動與該位移量相當(dāng)?shù)牧慷鴮C械位移量進行補償。該熱位移修正系統(tǒng)的具體例由圖9及圖10表示。圖9是臥式加工中心的情況，溫度傳感器23-1 23-10分別配置于機座11、立柱12、可在X軸方向上移動的滑鞍13、設(shè)置有主軸25且可在Z軸方向上移動的頭部14、可在Y軸方向上移動的工作臺15和載置于工作臺15上的工件W。利用這些溫度傳感器23-1 23-10來檢測各結(jié)構(gòu)物(機座11、立柱12、滑鞍13、頭部14及工作臺15)及工件W的溫度并輸出溫度數(shù)據(jù)(溫度檢測信號)al alO。修正裝置M具有溫度數(shù)據(jù)輸入部16、熱位移量計算部17和修正量計算部18。在溫度數(shù)據(jù)輸入部16，從溫度傳感器23-1 23-10輸入溫度數(shù)據(jù)al alO。在熱位移量計算部17，基于由溫度數(shù)據(jù)輸入部16輸入的溫度數(shù)據(jù)al alO來計算因熱量而產(chǎn)生的各結(jié)構(gòu)物(機座11、立柱12、滑鞍13、頭部14及工作臺15)及工件W的位移量。在修正量計算部18，基于由熱位移量計算部17計算出的各結(jié)構(gòu)物(機座11、立柱12、滑鞍13、頭部14及工作臺15)及工件W的熱位移量來計算各移動軸(X軸、Y軸、Z軸)上的位移量，將這些位移量的相反符號的值設(shè)成各移動軸(X軸、Y軸、Z軸)的修正量，并將這些修正量向各移動軸(X軸、Y軸、ζ軸)的伺服控制裝置19、20、21發(fā)送。在X軸的伺服控制裝置19中，在偏差運算部22，通過將在修正量計算部18計算出的X軸的修正量(=“-χ軸的位移量”)加在X軸位置命令上來修正X軸位置命令，并運算該修正后的X軸位置命令和X軸的位置反饋信息的偏差。在Y軸的伺服控制裝置20中，在偏差運算部22，通過將在修正量計算部18計算出的Y軸的修正量(="-Y軸的位移量”) 加在Y軸位置命令上來修正Y軸位置命令，并運算該修正后的Y軸位置命令和Y軸的位置反饋信息的偏差。在Z軸的伺服控制裝置21中，在偏差運算部22，通過將在修正量計算部 18計算出的Z軸的修正量(=“-Z軸的位移量”)加在Z軸位置命令上來修正Z軸位置命令，并運算該修正后的Z軸位置命令和Z軸的位置反饋信息的偏差。圖10是門形加工中心的情況，溫度傳感器45-1 45-8分別配置于機座31、門形的立柱32、內(nèi)置有主軸36的滑枕35、工作臺37和載置于工作臺37的工件W。利用這些溫度傳感器45-1 45-8檢測各結(jié)構(gòu)物(機座31、立柱32、滑枕35及工作臺37)及工件W的溫度并輸出溫度數(shù)據(jù)(溫度檢測信號)bl b8。另外，工作臺37可在X軸方向上移動，滑鞍34可以沿著橫軌33在Y軸方向上移動，滑枕35 (主軸36)可在Z軸方向上移動。修正裝置46具有溫度數(shù)據(jù)輸入部38、熱位移量計算部39和修正量計算部40。在溫度數(shù)據(jù)輸入部38，通過溫度傳感器45-1 45-8輸入溫度數(shù)據(jù)bl b8。在熱位移量計算部39，基于在溫度數(shù)據(jù)輸入部38輸入的溫度數(shù)據(jù)bl b8來計算因熱量而引起的各結(jié)構(gòu)物(機座31、立柱32、滑枕35及工作臺37)及工件W的位移量。在修正量計算部40，基于在熱位移量計算部39計算出的各結(jié)構(gòu)物(機座31、立柱32、滑枕35及工作臺37)及工件W的熱位移量來算出各移動軸(X軸、Y軸、Z軸)中的位移量，將這些位移量的相反符號的值設(shè)成各移動軸(X軸、Y軸、Z軸)的修正量，并將這些修正量向各移動軸(X軸、Y軸、Z 軸)的伺服控制裝置41、42、43發(fā)送。在X軸的伺服控制裝置41中，在偏差運算部44，通過將在修正量計算部40計算出的X軸的修正量(=“-χ軸的位移量”)加在X軸位置命令上來修正X軸位置命令，并運算該修正后的X軸位置命令和X軸的位置反饋信息的偏差。在Y軸的伺服控制裝置42中，在偏差運算部44，通過將在修正量計算部40計算出的Y軸的修正量(=“_Υ軸的位移量”) 加在Y軸位置命令上來修正Y軸位置命令，并運算該修正后的Y軸位置命令和Y軸的位置反饋信息的偏差。在Z軸的伺服控制裝置43中，在偏差運算部44，通過將在修正量計算部 40計算出的Z軸的修正量( = “_Ζ軸的位移量”)加在Z軸位置命令上來修正Z軸位置命令，并運算該修正后的Z軸位置命令與Z軸的位置反饋信息的偏差。作為與使用這樣的溫度傳感器的熱位移修正系統(tǒng)相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)文獻，有下述的專利文獻1 5。專利文獻1專利文獻2專利文獻3專利文獻4專利文獻5
4日本特開平10-6183號公報 日本特開2006-281420號公報 日本特開2006-15461號公報 日本特開2007-15094號公報 日本特開2008-183653號公報
專利文獻6 日本特開2007-175818號公報專利文獻7 日本特開平11-226846號公報
發(fā)明內(nèi)容
但是，用于推測機械的熱位移量的溫度傳感器的個數(shù)并不是沒有限制的，因此難以完全地把握機械的熱位移量，另外，在現(xiàn)有的方法中，根據(jù)溫度傳感器的檢測值而對機械的熱位移模式及熱位移量進行推定求算，因此不能完全地補償熱位移。另一方面，為了將機械的熱位移設(shè)成盡可能純粹的熱位移模式為目的，提出了上述專利文獻6所記載的發(fā)明等。但是，難以將因外部氣體溫度的變化等產(chǎn)生的機械的熱位移完全地設(shè)成純粹的熱位移模式(排除立柱等的翹曲、歪斜等，僅設(shè)成伸縮模式)，難以將因外部氣體溫度的變化等而產(chǎn)生的立柱等的翹曲、歪斜完全排除。因此，本發(fā)明鑒于上述問題，其目的在于提供一種使用能夠?qū)α⒅葯C械結(jié)構(gòu)物的傾斜角度進行直接檢測的水平儀等的傾斜角度檢測器的機床的機械位移修正系統(tǒng)。另外，在上述專利文獻7中，提出了使用水平儀的發(fā)明，但該發(fā)明涉及組合水平儀和壓電促動器而成的姿勢控制裝置，而不是修正機械位移的系統(tǒng)，與本發(fā)明的目的不同。解決上述問題的第一發(fā)明的機床的機械位移修正系統(tǒng)是修正機床的機械位移的機械位移修正系統(tǒng)，其特征在于，具備傾斜角度檢測器，設(shè)置于所述機床的結(jié)構(gòu)物，檢測所述結(jié)構(gòu)物的傾斜角度并輸出傾斜量數(shù)據(jù)；及修正裝置；該修正裝置具有傾斜量數(shù)據(jù)輸入部，從所述傾斜角度檢測器輸入所述傾斜量數(shù)據(jù)；機械位移量計算部，基于由所述傾斜量數(shù)據(jù)輸入部輸入的所述傾斜量數(shù)據(jù)來計算所述結(jié)構(gòu)物的機械位移量；及修正量計算部，基于由所述機械位移量計算部計算出的所述結(jié)構(gòu)物的機械位移量來計算所述機床的移動軸的修正量。另外，第二發(fā)明的機床的機械位移修正系統(tǒng)是修正機床的機械位移的機械位移修正系統(tǒng)，其特征在于，具備傾斜角度檢測器，設(shè)置于所述機床的結(jié)構(gòu)物，檢測所述結(jié)構(gòu)物的傾斜角度并輸出傾斜量數(shù)據(jù)；溫度傳感器，所述機床的結(jié)構(gòu)物或工件，檢測所述結(jié)構(gòu)物或工件的溫度并輸出溫度數(shù)據(jù)；及修正裝置；該修正裝置具有傾斜量數(shù)據(jù)輸入部，從所述傾斜角度檢測器輸入所述傾斜量數(shù)據(jù)；機械位移量計算部，基于由所述傾斜量數(shù)據(jù)輸入部輸入的所述傾斜量數(shù)據(jù)來計算所述結(jié)構(gòu)物的機械位移量；第一修正量計算部，基于由所述機械位移量計算部計算出的所述結(jié)構(gòu)物的機械位移量來計算所述機床的移動軸的第一修正量；
5
溫度數(shù)據(jù)輸入部，從所述溫度傳感器輸入所述溫度數(shù)據(jù)；熱位移量計算部，基于由所述溫度數(shù)據(jù)輸入部輸入的所述溫度數(shù)據(jù)來計算所述結(jié)構(gòu)物或所述工件的熱位移量；第二修正量計算部，基于由所述熱位移量計算部計算出的所述結(jié)構(gòu)物或所述工件的熱位移量來計算所述移動軸的第二修正量；及修正量加法運算部，將由所述第一修正量計算部計算出的所述第一修正量和由所述第二修正量計算部計算出的所述第二修正量相加。發(fā)明效果根據(jù)第一發(fā)明的機床的機械位移修正系統(tǒng)，當(dāng)由于翹曲、歪斜等機械位移(熱位移、自重位移及水平位移，或者，熱位移、自重位移及水平位移的混合)而使機床的結(jié)構(gòu)物傾斜時，能夠直接通過傾斜角度檢測器(例如水平儀)來把握該結(jié)構(gòu)物的傾斜量(傾斜角度)。因此，基于以該傾斜角度檢測器而直接把握的結(jié)構(gòu)物的傾斜量數(shù)據(jù)來計算結(jié)構(gòu)物的機械位移量，由此，能夠高精度地推定該機械位移量，能夠基于該機械位移量而得到高精度的移動軸的修正量。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的補償系統(tǒng)。根據(jù)第二發(fā)明的機床的機械位移修正系統(tǒng)，與上述第一發(fā)明同樣地，當(dāng)由于翹曲、 歪斜等機械位移(熱位移、自重位移及水平位移，或者，熱位移、自重位移及水平位移的混合)而使機床的結(jié)構(gòu)物傾斜時，能夠直接通過傾斜角度檢測器(例如水平儀)來把握該結(jié)構(gòu)物的傾斜量(傾斜角度)，因此，基于以該傾斜角度檢測器而直接把握的結(jié)構(gòu)物的傾斜量數(shù)據(jù)來計算結(jié)構(gòu)物的機械位移量，由此，能夠高精度地推定該機械位移量，能夠基于該機械位移量而得到高精度的移動軸的第一修正量。而且，在第二發(fā)明中，將基于溫度傳感器的溫度數(shù)據(jù)而求算出的移動軸的第二修正量加在該移動軸的第一修正量上，由此，不僅能夠應(yīng)對翹曲及歪斜等機械位移，還能夠應(yīng)對因熱量而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)物及工件的拉伸等熱位移，因此，能夠得到高精度的移動軸的修正量。因此能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的補償系統(tǒng)。
圖1是與使用有本發(fā)明的實施方式一涉及的水平儀的機械位移修正系統(tǒng)相關(guān)的圖，是表示上述水平儀的布局的機床(門形加工中心)的立體圖。圖2是與使用有本發(fā)明的實施方式一涉及的水平儀的機械位移修正相關(guān)系統(tǒng)的圖，是表示修正裝置側(cè)的結(jié)構(gòu)的圖。圖3是表示因傾斜而產(chǎn)生的機械位移量的計算例的圖。圖4是與使用有本發(fā)明的實施方式二涉及的水平儀的機械位移修正系統(tǒng)相關(guān)的圖，是表示上述水平儀的布局的機床(門形加工中心)的立體圖。圖5是與使用有本發(fā)明的實施方式二涉及的水平儀的機械位移修正系統(tǒng)相關(guān)的圖，是表示修正裝置側(cè)的結(jié)構(gòu)的圖。圖6是表示因溫度變化而產(chǎn)生的熱位移量的計算例的圖。圖7是表示全閉環(huán)的伺服控制裝置(反饋控制系統(tǒng))的結(jié)構(gòu)的框圖。圖8是表示半閉環(huán)的伺服控制裝置(反饋控制系統(tǒng))的結(jié)構(gòu)的框圖。圖9是表示使用有現(xiàn)有的溫度傳感器的熱位移修正系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)例的圖。
圖10是表示使用有現(xiàn)有的溫度傳感器的熱位移修正系統(tǒng)的其他結(jié)構(gòu)例的圖。
具體實施例方式以下，基于附圖對本發(fā)明的實施方式進行詳細的說明。實施方式一基于圖1 圖3，對使用有本發(fā)明的實施方式一涉及的水平儀的機械位移修正系統(tǒng)進行說明。如圖1所示，機床(在圖示例中為門形加工中心)具有機座51、工作臺52、立柱 53、橫軌M、滑鞍56及內(nèi)置有主軸58的滑枕57。在機座51上設(shè)置有工作臺52，在工作臺52上載置有工件W。工作臺52通過進給機構(gòu)(在圖1中省略了圖示，參照圖2)能夠在水平的X軸方向上移動。立柱53具有水平部53A和水平部53A的兩側(cè)的腳部5 而形成門形，并以橫跨機座51的方式配置。橫軌 54設(shè)置于立柱53的前側(cè)，能夠沿著設(shè)置于立柱53的前表面53a的導(dǎo)軌55并通過進給機構(gòu)(省略圖示)而在鉛垂的W軸方向上移動。滑鞍56設(shè)置于橫軌M的前側(cè)，能夠沿著橫軌M并通過進給機構(gòu)(在圖1省略了圖示，參照圖2)在水平的Y軸方向上移動?；?7 設(shè)置于滑鞍56內(nèi)，能夠通過進給機構(gòu)(在圖1中省略了圖示，參照圖2)在鉛垂的Z軸方向上移動。另外，X、Y、Z軸彼此正交。接著，在該機床上設(shè)置有數(shù)字水平儀61-1 61-6。水平儀61_1、61_2設(shè)置于立柱 53的上表面53b的兩端部，對因立柱53的機械位移而產(chǎn)生的立柱53的傾斜的角度進行檢測，并將傾斜量數(shù)據(jù)(傾斜角度檢測信號)cl、c2向修正裝置92(參照圖2，詳細情況在后文說明)輸出。上述機械位移中存在因熱位移、自重位移及水平位移等而產(chǎn)生的位移。熱位移是因主軸58及伺服電機(在圖1中省略了圖示，參照圖2)等熱源及外部氣體的溫度變化在立柱53等結(jié)構(gòu)物的前后及左右產(chǎn)生溫度差而在結(jié)構(gòu)物上產(chǎn)生的翹曲等機械位移。自重位移是因結(jié)構(gòu)物的自重而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)物的翹曲及傾斜等的機械位移。水平位移是因鋪設(shè)機座 51的水平面(基面)的變化而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)物的翹曲及歪斜等機械位移。因此，作為因機械位移而使立柱53等結(jié)構(gòu)物傾斜的情況，存在因熱位移而傾斜的情況、因自重位移而傾斜的情況、因水平位移而傾斜的情況及因熱位移、自重位移和水平位移的混合而傾斜的情況。水平儀61-3設(shè)置于立柱53的側(cè)面53c的中間的高度位置上，對因立柱53的機械位移而產(chǎn)生的立柱53的傾斜的角度進行檢測，并將傾斜量數(shù)據(jù)(傾斜角度檢測信號)c3向修正裝置92輸出。水平儀61-4、61-5設(shè)置于橫軌M的上表面Ma的兩端部，對因橫軌M 的機械位移而產(chǎn)生的橫軌M的傾斜的角度進行檢測，并將傾斜量數(shù)據(jù)(傾斜角度檢測信號)c4、c5向修正裝置92輸出。水平儀61-6設(shè)置于滑鞍56的上表面56a，對因滑鞍56的機械位移而產(chǎn)生的滑鞍56的傾斜的角度進行檢測，并將傾斜量數(shù)據(jù)(傾斜角度檢測信號) c6向修正裝置92輸出。如圖2所示，修正裝置92是使用個人計算機等的裝置，具有傾斜量數(shù)據(jù)輸入部93、 機械位移量計算部94和修正量計算部95。通過傾斜量數(shù)據(jù)輸入部93輸入從水平儀61-1 61_6輸出的各結(jié)構(gòu)物(立柱53、 橫軌討及滑鞍56)的傾斜量數(shù)據(jù)cl c6。
在機械位移量計算部94，基于在傾斜量數(shù)據(jù)輸入部93輸入的各結(jié)構(gòu)物(立柱53、 橫軌M、滑鞍56)的傾斜量數(shù)據(jù)(傾斜角度檢測值)來計算因傾斜而產(chǎn)生的各結(jié)構(gòu)物(立柱53、橫軌M及滑鞍56)的機械位移量。基于圖3，對立柱53的機械位移量的計算例進行說明。在圖3(a)中，H是立柱53 的高度(m)，L是立柱53的寬度(m)，θ是立柱53的傾斜角度(radiim)。接著，立柱53的機械位移量S通過下述的式(1)來計算。[數(shù)學(xué)式1]關(guān)于式(1)的推導(dǎo)，由圖3(b)表示。當(dāng)通過翹曲及歪斜等而在立柱53產(chǎn)生如圖 3(b)所示那樣的圓弧狀的機械位移時，將圓弧的半徑設(shè)為R，該半徑R、立柱位移量δ及立柱高度H的關(guān)系如下述的式(2)所示。接著，將該式(2)如下述的式(3)、式、式(5)那樣地進行變形，由此導(dǎo)出式(1)。[數(shù)學(xué)式2]
(R-5)2+H2 = R2 R2-2R δ + δ 2+Η2 = R: 2R δ = δ 2+Η2 ^ H2 H2
(5 =
2 * R
2 *
…⑵
…(3) …(4)
H2H* θ
=—— …⑸
2
θ另外，對于式(1)中使用的立柱傾斜角度θ，可以使用兩個水平儀61-1、61-2的傾斜角度檢測值(傾斜量數(shù)據(jù)Cl、U)的平均值，也可以使用任一傾斜角度檢測值。另外， 當(dāng)計算立柱53的中間的高度位置處的立柱位移量δ時，將水平儀61-3的傾斜角度檢測值 (傾斜量數(shù)據(jù)用作立柱傾斜角度θ。當(dāng)計算橫軌M的位移量δ時，作為橫軌傾斜角度θ，可以使用兩個水平儀61-4、61-5的傾斜角度檢測值(傾斜量數(shù)據(jù)c4、d)的平均值， 也可以使用任一傾斜角度檢測值。當(dāng)計算滑鞍M的位移量δ時，將水平儀61-6的傾斜角度檢測值(傾斜量數(shù)據(jù)c6)用作滑鞍傾斜角度θ。如圖2所示，在修正量計算部95，基于在機械位移量計算部94計算出的各結(jié)構(gòu)物 (立柱53、橫軌M及滑鞍56)的機械位移量來計算各移動軸(X軸、Y軸、Z軸)上的位移量，將這些位移量的相反符號的值設(shè)成各移動軸(X軸、Y軸、Z軸)的修正量，并將這些修正量向各移動軸(X軸、Y軸、Z軸)的伺服控制裝置81、82、83發(fā)送。即，將X軸的修正量(= “-X軸的位移量”)向X軸的伺服控制裝置81發(fā)送，將Y軸的修正量(=“_Υ軸的位移量”) 向Y軸的伺服控制裝置82發(fā)送，將Z軸的修正量(=“_Ζ軸的位移量”)向Z軸的伺服控制裝置83發(fā)送。另外，在基于結(jié)構(gòu)物的機械位移量來計算移動軸的位移量時，可以使用式 (1)等理論式來計算，但是，例如也可以使用預(yù)先由試驗及模擬等而求算出的表示結(jié)構(gòu)物的機械位移量和移動軸的位移量的關(guān)系的計算式及表格數(shù)據(jù)等。如圖2所示，X軸的進給機構(gòu)71由伺服電機74、減速齒輪75及滾珠絲杠76 (絲杠部76a、螺母部76b)等構(gòu)成。
伺服電機74經(jīng)由減速齒輪75而與滾珠絲杠76的絲杠部76a連接。滾珠絲杠76 的絲杠部76a與螺母部76b彼此螺合，螺母部76b安裝于移動體即工作臺52。另外，在工作臺52上安裝有位置檢測器77，在伺服電機74上安裝有脈沖編碼器78。因此，伺服電機74的旋轉(zhuǎn)力經(jīng)由減速齒輪75而被傳遞至滾珠絲杠76的絲杠部 76a,當(dāng)絲杠部76a如箭頭A所示地旋轉(zhuǎn)時，工作臺52與螺母部76b —同沿X軸方向移動。 此時工作臺52的移動位置由位置檢測器77來檢測，且該位置檢測信號被發(fā)送(位置反饋) 至X軸的伺服控制裝置81。另外，伺服電機74的旋轉(zhuǎn)角度由脈沖編碼器78來檢測，且該旋轉(zhuǎn)角度檢測信號經(jīng)由伺服控制裝置81的微分運算部91而被發(fā)送(速度反饋)至伺服控制裝置81。伺服控制裝置81具有偏差運算部84、乘法運算部85、偏差運算部86、比例運算部 87、積分運算部88、加法運算部89、電流控制部90及微分運算部91。在偏差運算部84，將從修正裝置92 (修正量計算部95)發(fā)送來的X軸的修正量(= “-X軸的位移量”)加在從數(shù)值控制裝置(省略圖示)發(fā)送來的X軸位置命令上，由此，修正上述X軸位置命令，并運算該修正后的X軸位置命令與來自位置檢測器77的位置反饋信息即工作臺52的位置之差，由此求算位置偏差dl。在乘法運算部85，通過在位置偏差dl上乘以位置環(huán)增益Kp來求算速度命令d2。 在微分運算部91，通過按時間對由脈沖編碼器78檢測出的伺服電機74的旋轉(zhuǎn)角度進行微分來求算伺服電機74的旋轉(zhuǎn)速度。在偏差運算部86，通過計算速度命令d2與在微分運算部86求算的伺服電機74的旋轉(zhuǎn)速度之差來求算速度偏差d3。在比例運算部87，通過在速度偏差d3上乘以速度環(huán)比例增益Kv來求算比例值d4。在積分運算部88，通過在速度偏差 d3上乘以速度環(huán)積分增益Kvi、且對相乘值進行積分來求算積分值d5。在加法運算部89， 通過將比例值d4和積分值d5相加來求算轉(zhuǎn)矩命令d6。在電流控制部90，以伺服電機74 的轉(zhuǎn)矩追隨轉(zhuǎn)矩命令d6的方式來控制向伺服電機74供給的電流。因此，在該X軸的伺服控制裝置81中，以X軸的伺服電機74的旋轉(zhuǎn)速度追隨速度命令d2、且工作臺52的X軸方向的移動位置追隨修正后的X軸位置命令的方式進行控制。另外，關(guān)于Y軸和Z軸的進給機構(gòu)72、73及伺服控制裝置82、83的結(jié)構(gòu)，由于X軸的進給機構(gòu)71及伺服控制裝置81的結(jié)構(gòu)相同(對相同的結(jié)構(gòu)部分標以相同的標號)，所以省略詳細的說明。在Y軸的伺服控制裝置82中，在偏差運算部84，將從修正裝置92 (修正量計算部 95)發(fā)送來的Y軸的修正量(=“-Y軸的位移量””)加在從數(shù)值控制裝置發(fā)送來的Y軸位置命令上，由此，修正所述Y軸位置命令，并求算修正后的Y軸位置命令。接著，在伺服控制裝置82，以Y軸的伺服電機74的旋轉(zhuǎn)速度追隨速度命令d2、且滑鞍56的Y軸方向的移動位置追隨修正后的Y軸位置命令的方式進行控制。在Z軸的伺服控制裝置83中，在偏差運算部84，將從修正裝置92 (修正量計算部 95)發(fā)送來的Z軸的修正量(=“_Z軸的位移量”)加在從數(shù)值控制裝置發(fā)送來的Z軸位置命令上，由此，修正所述Z軸位置命令，并求算修正后的Z軸位置命令。接著，在該伺服控制裝置83中，以Z軸的伺服電機74的旋轉(zhuǎn)速度追隨速度命令d2、且滑枕57 (主軸58)的Z軸方向的移動位置追隨修正后的Z軸位置命令的方式進行控制。由以上可知，根據(jù)本實施方式一的機床的機械位移修正系統(tǒng)，當(dāng)機床的結(jié)構(gòu)物(立柱53、橫軌M及滑鞍56)因翹曲、歪斜等機械位移(熱位移及/或自重位移)而傾斜時，能夠通過水平儀61-1 61-6來直接把握該結(jié)構(gòu)物的傾斜量(傾斜角度)。因此，基于由該水平儀61-1 61-6直接把握的結(jié)構(gòu)物(立柱53、橫軌M及滑鞍56)的傾斜量數(shù)據(jù) cl c6來計算結(jié)構(gòu)物(立柱53、橫軌M及滑鞍56)的機械位移量，由此，能夠高精度地推定該機械位移量，能夠基于該機械位移量而得到高精度的移動軸(X軸、Y軸、Z軸)的修正量。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的補償系統(tǒng)。實施方式二基于圖4 圖6對使用本發(fā)明的實施方式二涉及的水平儀的機械位移修正系統(tǒng)進行說明。另外，在本實施方式二的機械位移修正系統(tǒng)中，關(guān)于與上述實施方式一的機械位移修正系統(tǒng)(參照圖1、圖2)相同的部分，標以相同的標號而省略重復(fù)的說明。如圖4所示，在本實施方式二中，在機床(門形加工中心)上，不僅與上述實施方式一相同地設(shè)置數(shù)字水平儀61-1 61-6，還設(shè)置有溫度傳感器101-1 101-8。溫度傳感器101-1、101-2設(shè)置于立柱53的側(cè)面53c的上部和下部，檢測立柱53 的溫度并將溫度數(shù)據(jù)(溫度檢測信號)el、e2向修正裝置92 (參照圖5，詳細情況在后文說明)輸出。溫度傳感器101-3、101-4設(shè)置于滑枕57的上部和下部，檢測滑枕57的溫度并將溫度數(shù)據(jù)(溫度檢測信號)e3、e4向修正裝置92輸出。溫度傳感器101-5設(shè)置于工作臺 52，檢測工作臺52的溫度并將溫度數(shù)據(jù)(溫度檢測信號)e5向修正裝置92輸出。溫度傳感器101-6設(shè)置于工件W，檢測工件W的溫度并將溫度數(shù)據(jù)(溫度檢測信號)e6向修正裝置 92輸出。溫度傳感器101-7、101-8設(shè)置于機座51的前部和后部，檢測機座51的溫度并將溫度數(shù)據(jù)(溫度檢測信號)e7、e8向修正裝置92輸出。如圖5所示，本實施方式二的修正裝置92中，不僅與上述實施方式一相同地具有傾斜量數(shù)據(jù)輸入部93、機械位移量計算部94和修正量計算部95 (第一修正量計算部)，還具有溫度數(shù)據(jù)輸入部103、熱位移量計算部104、修正量計算部105(第二修正量計算部)和修正量加法運算部106。在溫度數(shù)據(jù)輸入部103，輸入從溫度傳感器101-1 101_8輸出的各結(jié)構(gòu)物(立柱 53、滑枕57、工作臺52及機座51)及工件W的溫度數(shù)據(jù)el e8。在熱位移量計算部104，基于在溫度數(shù)據(jù)輸入部103輸入的各結(jié)構(gòu)物(立柱53、滑枕57、工作臺52及機座51)及工件W的溫度數(shù)據(jù)(溫度檢測值)來計算各結(jié)構(gòu)物(立柱 53、滑枕57、工作臺52及機座51)及工件W的熱位移量?；趫D6，當(dāng)對與立柱53、滑枕57等相當(dāng)?shù)奈矬w107的熱位移量的計算例進行說明時，物體107的熱位移量(因熱量而產(chǎn)生的拉伸量)δ通過下述的式(6)來計算。在圖 6及式(6)中，L是物體107的有效長度(m)，Δ T是物體107的溫度變化(°C ) ( = T-T0)， β是物體107的線膨脹系數(shù)(m/°C *m)(物體107的每1 (m)變化1 (°C )時的位移量)。另外，T是物體107的溫度(°C )，T0是物體107的基準溫度(°C )。σ = Δ β ... (6)將從溫度傳感器101-1 101-8輸入的溫度數(shù)據(jù)el e8用作物體107的溫度 T。在熱位移量計算部104預(yù)先設(shè)定物體107的基準溫度。另外，也可以將兩個溫度傳感器 101-1,101-2的溫度檢測值(溫度數(shù)據(jù)el、A2)的平均值或該兩個溫度傳感器101-1、101-2 的溫度檢測值中的任一溫度檢測值用作用于計算立柱53的熱位移量的溫度數(shù)據(jù)。也可以將兩個溫度傳感器101-3、101-4的溫度檢測值(溫度數(shù)據(jù)e3、e4)的平均值或該兩個溫度傳感器101-3、101-4的溫度檢測值中的任一溫度檢測值用作用于計算滑枕57的熱位移量的溫度數(shù)據(jù)。將溫度傳感器101-5的溫度檢測值(溫度數(shù)據(jù)e5)用作用于計算工作臺52 的熱位移量的溫度數(shù)據(jù)。將溫度傳感器101-6的溫度檢測值(溫度數(shù)據(jù)e6)用作用于計算工件W的熱位移量的溫度數(shù)據(jù)。也可以將兩個溫度傳感器101-7、101-8的溫度檢測值(溫度數(shù)據(jù)e7、e8)的平均值或該兩個溫度傳感器101_7、101-8的溫度檢測值中的任一溫度檢測值用作用于計算機座51的熱位移量的溫度數(shù)據(jù)。如圖5所示，在修正量計算部105，基于在熱位移量計算部104計算出的各結(jié)構(gòu)物 (立柱53、滑枕57、工作臺52及機座51)及工件W的熱位移量來計算各移動軸(X軸、Y軸、 Z軸)上的位移量，并將與這些位移量相反符號的值設(shè)為各移動軸(X軸、Y軸、Z軸)的修正量。即，求算X軸的修正量(=“_X軸的位移量”)、Y軸的修正量(=“_Υ軸的位移量”)、 Z軸的修正量(=“_Ζ軸的位移量”)。另外，在通過結(jié)構(gòu)物的熱位移量來計算移動軸的位移量時，也可以使用式(6)等理論式來計算，例如，也可以使用通過預(yù)先試驗及模擬等求算出的表示結(jié)構(gòu)物的熱位移量和移動軸的位移量之間的關(guān)系的計算式及表格數(shù)據(jù)等。在修正量加法運算部106，將修正量計算部95計算出的各移動軸(X軸、Y軸、Z軸) 的修正量(第一修正量)和在修正量計算部105計算出的各移動軸(X軸、Y軸、Z軸)的修正量(第二修正量)相加，并將該相加值分別向各移動軸(X軸、Y軸、Z軸)的伺服控制裝置81、82、83發(fā)送。S卩，向X軸的伺服控制裝置81發(fā)送的X軸的修正量是在第一修正量計算部95計算出的X軸的第一修正量和在第二修正量計算部105計算出的X軸的第二修正量的相加值。 向Y軸的伺服控制裝置82發(fā)送的Y軸的修正量是在第一修正量計算部95計算出的Y軸的第一修正量和在第二修正量計算部105計算出的Y軸的第二修正量的相加值。向Z軸的伺服控制裝置83發(fā)送的Z軸的修正量是在第一修正量計算部95計算出的Z軸的第一修正量和在第二修正量計算部105計算出的Z軸的第二修正量的相加值。在X軸的伺服控制裝置81的偏差運算部84，將從修正裝置92 (修正量加法運算部 106)發(fā)送來的X軸的修正量(= “_Χ軸的位移量”)加在從數(shù)值控制裝置(圖示省略)發(fā)送來的X軸位置命令上，由此，修正上述X軸位置命令，并運算該修正后的X軸位置命令和來自位置檢測器77的位置反饋信息即工作臺52的位置之差，由此求算位置偏差dl。在Y軸的伺服控制裝置82的偏差運算部84，將從修正裝置92 (修正量加法運算部 106)發(fā)送來的Y軸的修正量(=“-Y軸的位移量”)加在從數(shù)值控制裝置發(fā)送來的Y軸位置命令上，由此，修正上述Y軸位置命令，并運算該修正后的Y軸位置命令和來自位置檢測器77的位置反饋信息即滑鞍56的位置之差，由此求算位置偏差dl。在Z軸的伺服控制裝置83的偏差運算部84，將從修正裝置92 (修正量加法運算部 106)發(fā)送來的Z軸的修正量(="-Z軸的位移量”)加在從數(shù)值控制裝置發(fā)送來的Z軸位置命令上，由此，修正上述Z軸位置命令，并運算該修正后的Z軸位置命令和來自位置檢測器77的位置反饋信息即滑枕57(主軸58)的位置之差，由此求算位置偏差dl。由以上可知，根據(jù)本實施方式二的機床的機械位移修正系統(tǒng)，當(dāng)機床的結(jié)構(gòu)物 (立柱53、橫軌M及滑鞍56)與上述實施方式一相同地、因翹曲、歪斜等機械位移(熱位移及/或自重位移)而傾斜時，由于能夠通過水平儀61-1 61-6而直接把握該結(jié)構(gòu)物的傾
11斜量(傾斜角度)，所以，能夠基于由該水平儀61-1 61-6直接把握的結(jié)構(gòu)物(立柱53、 橫軌M及滑鞍56)的傾斜量數(shù)據(jù)cl c6來計算結(jié)構(gòu)物(立柱53、橫軌M、滑鞍56)的機械位移量，由此，能夠高精度地推定該機械位移量，能夠基于該機械位移量而得到高精度的移動軸(X軸、Y軸、Z軸)的第一修正量。而且，在本實施方式二中，將基于溫度傳感器101-1 101-8的溫度數(shù)據(jù)el e8 求算出的移動軸(X軸、Y軸、Z軸)的第二修正量加在該移動軸(X軸、Y軸、Z軸)的第一修正量上，由此，不僅能夠應(yīng)對翹曲及歪斜等機械位移，還能夠應(yīng)對因熱量而產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)物 (立柱53、滑枕57、工作臺52及機座51)及工件W的拉伸等熱位移，因此，能夠得到更高精度的移動軸(X軸、Y軸、Z軸)的修正量。因此，能夠?qū)崿F(xiàn)更高精度的補償系統(tǒng)。另外，在上述實施方式一、二中使用了水平儀，但不一定限定于此，若能夠直接檢測機床的結(jié)構(gòu)物的傾斜角度，則也可以使用除水平儀以外的傾斜角度檢測器。工業(yè)實用性本發(fā)明與機床的機械位移修正系統(tǒng)相關(guān)，是在應(yīng)用于對機床的立柱等所產(chǎn)生的機械位移(熱位移、自重位移、水平位移)進行修正時有用的發(fā)明。標號說明51 機座52 工作臺53 立柱53A 水平部53B 腳部53a 前表面53b 上表面53c 側(cè)面54 橫軌54a 上表面55 導(dǎo)軌56 滑鞍56a 上表面57 滑枕58 主軸61-1 61-6 水平儀71、72、73 進給機構(gòu)74伺服電機75減速齒輪76 滾珠絲杠76a 絲杠部76b 螺母部77位置檢測器78脈沖編碼器0136]81、82、83伺服控制裝置
0137]84偏差運算部
0138]85乘法運算部
0139]86 偏差運算部
0140]87 比例運算部
0141]88積分運算部
0142]89加法運算部
0143]90 電流控制部
0144]91微分運算部
0145]92修正裝置
0146]93傾斜量數(shù)據(jù)輸入部
0147]94機械位移量計算部
0148]95修正量計算部
0149]101-1 101-8溫度傳感器
0150]103溫度數(shù)據(jù)輸入部
0151]104熱位移量計算部
0152]105修正量計算部
0153]106 修正量加法運算部
0154]cl c6傾斜量數(shù)據(jù)(傾斜角度檢測信號)
0155]el e8溫度數(shù)據(jù)(溫度檢測信號)
0156]W 工件
權(quán)利要求
1.一種機床的機械位移修正系統(tǒng)，用于修正機床的機械位移，其特征在于，具備傾斜角度檢測器，設(shè)置于所述機床的結(jié)構(gòu)物，檢測所述結(jié)構(gòu)物的傾斜角度并輸出傾斜量數(shù)據(jù)；及修正裝置；該修正裝置具有傾斜量數(shù)據(jù)輸入部，從所述傾斜角度檢測器輸入所述傾斜量數(shù)據(jù)；機械位移量計算部，基于由所述傾斜量數(shù)據(jù)輸入部輸入的所述傾斜量數(shù)據(jù)來計算所述結(jié)構(gòu)物的機械位移量；及修正量計算部，基于由所述機械位移量計算部計算出的所述結(jié)構(gòu)物的機械位移量來計算所述機床的移動軸的修正量。
2.一種機床的機械位移修正系統(tǒng)，用于修正機床的機械位移，其特征在于，具備傾斜角度檢測器，設(shè)置于所述機床的結(jié)構(gòu)物，檢測所述結(jié)構(gòu)物的傾斜角度并輸出傾斜量數(shù)據(jù)；溫度傳感器，所述機床的結(jié)構(gòu)物或工件，檢測所述結(jié)構(gòu)物或工件的溫度并輸出溫度數(shù)據(jù)；及修正裝置；該修正裝置具有傾斜量數(shù)據(jù)輸入部，從所述傾斜角度檢測器輸入所述傾斜量數(shù)據(jù)；機械位移量計算部，基于由所述傾斜量數(shù)據(jù)輸入部輸入的所述傾斜量數(shù)據(jù)來計算所述結(jié)構(gòu)物的機械位移量；第一修正量計算部，基于由所述機械位移量計算部計算出的所述結(jié)構(gòu)物的機械位移量來計算所述機床的移動軸的第一修正量；溫度數(shù)據(jù)輸入部，從所述溫度傳感器輸入所述溫度數(shù)據(jù)；熱位移量計算部，基于由所述溫度數(shù)據(jù)輸入部輸入的所述溫度數(shù)據(jù)來計算所述結(jié)構(gòu)物或所述工件的熱位移量；第二修正量計算部，基于由所述熱位移量計算部計算出的所述結(jié)構(gòu)物或所述工件的熱位移量來計算所述移動軸的第二修正量；及修正量加法運算部，將由所述第一修正量計算部計算出的所述第一修正量和由所述第二修正量計算部計算出的所述第二修正量相加。
全文摘要
本發(fā)明的目的在于提供一種使用能夠直接檢測出立柱等機械結(jié)構(gòu)物的傾斜角度的水平儀等傾斜角度檢測器的機床的機械位移修正系統(tǒng)。因此，所述機床的機械位移修正系統(tǒng)具備傾斜角度檢測器(水平儀)，設(shè)置于所述機床的結(jié)構(gòu)物，檢測所述結(jié)構(gòu)物的傾斜角度并輸出傾斜量數(shù)據(jù)；及修正裝置(92)；其中，該修正裝置(92)具有傾斜量數(shù)據(jù)輸入部(93)，從所述傾斜角度檢測器輸入所述傾斜量數(shù)據(jù)(c1～c6)；機械位移量計算部(94)，基于由所述傾斜量數(shù)據(jù)輸入部輸入的所述傾斜量數(shù)據(jù)(c1～c6)來計算所述結(jié)構(gòu)物的機械位移量；及修正量計算部(95)，基于由所述機械位移量計算部計算出的所述結(jié)構(gòu)物的機械位移量來計算所述機床的移動軸(X軸、Y軸、Z軸)的修正量。
文檔編號B23Q15/18GK102596496SQ20108004959
公開日2012年7月18日 申請日期2010年9月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月8日
發(fā)明者山本英明 申請人:三菱重工業(yè)株式會社